(57)【要約】  従来よりも簡素な構成および簡素な製造フローで形成可能な圧電アクチュエータを実現する。ベース基板（１１）には、固定電極（１２）が形成されている。ベース基板（１１）の表面には、誘電体層（１３）が形成されている。誘電体層（１３）の表面には、少なくとも一部がベース基板（１１）から離間した形状の下部電極（１４）が形成されている。下部電極（１４）の表面には、圧電体層（１５）が形成されている。圧電体層（１５）の表面側には、上部電極（１６）が形成されている。圧電駆動電圧の印加による圧電体層（１５）の歪により、上部電極（１６）もしくは下部電極（１４）の少なくとも一部が可動する可動電極となっている。
2011132532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性のベース基板と、
該ベース基板に形成された固定電極と、
少なくとも一部が前記ベース基板から離間された形状からなる圧電駆動電圧印加用の下部電極と、
該下部電極の前記ベース基板と反対の面側に形成された圧電体層と、
該圧電体層の前記下部電極と反対の面側に形成された前記圧電駆動電圧印加用の上部電極と、
前記圧電駆動電圧の印加による前記圧電体層の歪みにより、前記固定電極との距離が変化する可動電極と、を備え、
該可動電極の少なくとも一部は、前記上部電極もしくは前記下部電極により形成されている、圧電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電アクチュエータであって、
前記可動電極は、一方端が前記下部電極、前記圧電体層、および前記上部電極からなる積層構造部により支持されている、圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータであって、
前記可動電極は、前記上部電極により形成されている、圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
前記固定電極と前記可動電極との間に誘電体層が形成されている、圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４に記載の圧電アクチュエータであって、
前記誘電体層は前記圧電体層により形成されている、圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
前記可動電極は、前記圧電体層の歪み量により、前記固定電極側に近接する面積が変化する形状からなる、圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
前記固定電極と前記可動電極とを、高周波信号を伝送する伝送線路に接続する、または伝送線路とグランド線間に接続する、圧電アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛系、窒化アルミニウム系、もしくは酸化亜鉛系の材質により形成されている、圧電アクチュエータ。
【請求項９】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
前記圧電体層は、以下の一般式（１）からなるニオブ酸カリウムナトリウム系の材質、または、一般式（１）にＭｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｙｂの少なくとも１種を金属あるいは酸化物として１０ｍｏｌ％以下で添加したニオブ酸カリウムナトリウム系の材質により形成されている、圧電アクチュエータ。
一般式（１）（Ｋ１−ａ−ｂＮａａ Ａｂ）（Ｎｂ１−ｃ Ｂｃ）Ｏ３
（ＡはＬｉ、Ａｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｇｄからなる少なくとも１種の化合物、ＢはＴａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｈｆからなる少なくとも１種の化合物、ａ、ｂ、ｃは０≦ａ≦０．９、０≦ｂ≦０．３、０≦ａ＋ｂ≦０．９、０≦ｃ≦０．３の範囲）
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
前記固定電極は、前記ベース基板に埋め込まれた形状からなる、圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
前記ベース基板の材質がＬＴＣＣ、ガラス、ＳＯＩ、アルミナセラミックス、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、水晶、Ｓｉ、サファイア、ＧａＡｓ、ＧａＮ、Ｇｅ、ＳｉＣのいずれかである、圧電アクチュエータ。
【請求項１２】
絶縁性のベース基板に固定電極を形成する工程と、
前記ベース基板の前記固定電極が形成された面側に犠牲層を形成する工程と、
少なくとも一部が前記犠牲層の前記ベース基板と反対の面側に配設されるように、下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の前記ベース基板と反対の面側に圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の前記下部電極と反対の面側に上部電極を形成する工程と、
前記犠牲層を除去することで可動電極を形成する工程と、
を有する圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記犠牲層を形成する工程では、前記犠牲層に酸化亜鉛を用いる、圧電アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電材料を用いて、電気的な制御を行う圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＭＥＭＳ素子からなるスイッチ素子が各種考案されている。このようなスイッチ素子として、例えば特許文献１に示すように、圧電アクチュエータを利用したものもある。【０００３】
特許文献１に記載の圧電アクチュエータのスイッチ素子では、ベース基板の表面に、片持ちのアームが取り付けられている。アームは、片持ちの支持部となるベース基板に直交する壁面を有する垂直壁部と、当該垂直壁部に支持されたベース基板部平行な壁面を有する水平壁部とを備える。水平壁面上には、可動電極が形成されている。この可動電極の上方には、アームを覆う蓋部の内壁に固定電極が形成されている。【０００４】
アームの水平壁部の支持側の端部付近には、下部電極、圧電膜、および上部電極が、この順で配設されており、これらにより圧電駆動部が構成されている。そして、圧電駆動部の下部電極と上部電極との間に駆動電圧を印加すると、圧電膜が歪み、アームが上方に湾曲して、可動電極が固定電極へ近接する。このように、駆動電圧の印加の有無により、可動電極と固定電極との間隔が変化することで、スイッチや可変容量素子として機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２３８５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の特許文献１に示す圧電アクチュエータのスイッチ素子では、可動電極、アーム、および圧電駆動部が個別に形成された構造になっている。したがって、スイッチ素子を構成する構成要素が多く、それぞれの構成要素を形成する製造フローも多くなってしまう。【０００７】
本発明の目的は、従来よりも簡素な構成および簡素な製造フローで形成可能な圧電アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の圧電アクチュエータは、絶縁性のベース基板、該ベース基板に形成された固定電極、下部電極、圧電体層、上部電極、および可動電極を備える。下部電極は、少なくとも一部がベース基板から離間された形状からなる圧電駆動電圧印加用の電極である。圧電体層は、下部電極のベース基板と反対の面側に形成されている。上部電極は、圧電体層の下部電極と反対の面側に形成された圧電駆動電圧印加用の電極である。可動電極は、圧電駆動電圧の印加による前記圧電体層の歪みにより、固定電極との距離が変化する。このような構成の上で、可動電極の少なくとも一部は、上部電極もしくは下部電極により形成されている。【０００９】
この構成では、可動電極自体が湾曲するアームの機能を有するので構成が簡素化される。さらに、上部電極もしくは下部電極が部分的に可動電極へ含まれることで、さらに構成が簡素化される。また、固定電極をベース基板に備えることで、電気回路の機能的にはカバーを必要とせず、これによっても構成が簡素化される。【００１０】
また、この発明の圧電アクチュエータでは、可動電極は、一方端が下部電極、圧電体層、および上部電極からなる積層構造部により支持されている。【００１１】
この構成では、具体的な可動電極の支持柱の構成を示している。このように、本発明の構成では、可動電極の他に別途アームが無くても可動電極に所望の変化をもたらすことができる。【００１２】
また、この発明の圧電アクチュエータでは、可動電極は上部電極により形成されている。【００１３】
この構成では、上部電極が可動電極を兼ね、湾曲するアームにもなる。これにより、さらに簡素な構成となる。また、上部電極は、圧電体層よりも製造フローの後段で形成されるため、圧電体層の製造プロセス条件の影響を受けない。このため、上部電極を兼ねる可動電極の材質の選択岐が多くなる。したがって、製品仕様やコスト等に応じて、適する材質を選択し易くできる。【００１４】
また、この発明の圧電アクチュエータでは、固定電極と可動電極との間に誘電体層が形成されている。【００１５】
この構成では、具体的な圧電アクチュエータの構造として、固定電極と可動電極との間に誘電体層を備える。この誘電体層が存在することで、固定電極と可動電極とが直接に当接しない。したがって、圧電体アクチュエータを、例えば５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚといった周波数の高周波スイッチとしても、高周波容量素子としても利用することができる。また、固定電極と可動電極とが直接に当接または近接する場合に比べ、誘電体層を介在することで、過大な信号が通過しても融着しにくいため、駆動電圧印加後にも可動電極をより安定に離間させることができる。これにより、スイッチング動作が可能になる。そして、このような誘電体層を有する構成であっても、他の構成要素が簡素化されているので、誘電体層を備える圧電アクチュエータとしては、従来よりも簡素な構成を実現できる。【００１６】
また、この発明の圧電アクチュエータでは、誘電体層は圧電体層により形成されている。【００１７】
この構成では、誘電体層を圧電体層で兼用している。これにより、誘電体層を備える圧電アクチュエータを、さらに簡素な構成で実現できる。【００１８】
また、この発明の圧電アクチュエータでは、可動電極は、圧電体層の歪み量により固定電極側に近接する面積が変化する形状からなる。【００１９】
この構成では、近接する面積が異なることで、連続的または多段的な複数の異なる容量を実現できる。これにより、可変容量素子を構成することができる。そして、このような可変容量素子としての圧電アクチュエータであっても、従来よりも簡素な構成で実現できる。【００２０】
また、この発明の圧電アクチュエータでは、固定電極と可動電極とを、高周波信号を伝送する伝送線路に接続する、または伝送線路とグランド線間に接続する。【００２１】
この構成では、駆動電圧印加用の電極が高周波信号用の可動電極として兼用されているので、従来のアームと可動電極とを個別に形成する構造よりも、構造を簡素化できる。これにより、圧電アクチュエータを高周波スイッチや可変容量素子として利用する場合に小型化が可能となる。【００２２】
また、この発明の圧電アクチュエータでは、圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛系、窒化アルミニウム系、もしくは酸化亜鉛系の材質により形成されている。【００２３】
この構成では、圧電体層の材質を具体的に示している。これらの材質を用いれば、製造が容易であり、本願の圧電アクチュエータに、より有効に作用する。【００２４】
また、この発明の圧電アクチュエータでは、圧電体層は、ニオブ酸カリウムナトリウム系の材質により形成されている。【００２５】
この構成では、圧電体層を構成する別の材質の具体例を示している。この材質は非鉛圧電材料の中でも圧電性に優れているので、優れた環境性と圧電性とを両立する圧電アクチュエータを構成できる。なお、ニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電定数ｄ３１は５０〜１５０ｐｍ／Ｖである。【００２６】
なお、ここで、ニオブ酸カリウムナトリウム系とは、以下の一般式（１）からなるニオブ酸カリウムナトリウム系の材質、または、一般式（１）にＭｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｙｂの少なくとも１種を金属あるいは酸化物として１０ｍｏｌ％以下で添加したニオブ酸カリウムナトリウム系の材質を含む。【００２７】
一般式（１）（Ｋ１−ａ−ｂＮａａ Ａｂ）（Ｎｂ１−ｃ Ｂｃ）Ｏ３
（ＡはＬｉ、Ａｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｇｄからなる少なくとも１種の化合物、ＢはＴａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｈｆからなる少なくとも１種の化合物、ａ、ｂ、ｃは０≦ａ≦０．９、０≦ｂ≦０．３、０≦ａ＋ｂ≦０．９、０≦ｃ≦０．３の範囲）。【００２８】
また、この発明の圧電アクチュエータでは、固定電極はベース基板に埋め込まれた形状からなる。【００２９】
この構成では、固定電極の具体的構成例を示している。このように、固定電極がベース基板に埋め込まれることで、固定電極上に形成される誘電体層や犠牲層を平坦に形成しやすくなる。【００３０】
また、この発明の圧電アクチュエータでは、基板がＬＴＣＣ、ガラス、ＳＯＩ、アルミナセラミックス、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、水晶、Ｓｉ、サファイア、ＧａＡｓ、ＧａＮ、Ｇｅ、ＳｉＣである。【００３１】
この構成では、ベース基板の具体的構成例を示している。薄膜電極用のベース基板としては、上述の各材質のように、熱収縮が小さく圧電体層と熱膨張係数の近いものが、可動電極の反りや変形が小さくなるので好ましい。【００３２】
また、この発明は、圧電アクチュエータの製造方法に関する。この圧電アクチュエータの製造方法では、（１）絶縁性のベース基板に固定電極を形成する工程と、（２）ベース基板の固定電極が形成された面側に犠牲層を形成する工程と、（３）少なくとも一部が犠牲層のベース基板と反対の面側に配設されるように下部電極を形成する工程と、（４）下部電極のベース基板と反対の面側に圧電体層を形成する工程と、（５）圧電体層の下部電極と反対の面側に上部電極を形成する工程と、（６）犠牲層を除去することで可動電極を形成する工程と、を有する。【００３３】
この製造方法では、圧電体層の形成後に可動電極を形成するので、可動電極の材質の選択岐の制限が緩和される。具体的には、圧電体層を上述の圧電性の大きなチタン酸ジルコン酸鉛系、ニオブ酸カリウムナトリウム系で形成する場合、成膜プロセスの温度が５００℃〜７００℃と高くなる。したがって、圧電体層を形成する前に可動電極を形成しようとすると、当該プロセス温度で変質、変形しない材質に限られてしまう。一方で、圧電体層の形成後に可動電極を形成すれば、このようなプロセス温度による規制を受けない。これにより、可動電極の材質の選択岐を増やすことができる。【００３４】
また、この発明の圧電アクチュエータの製造方法では、犠牲層を形成する工程で、犠牲層に酸化亜鉛を用いる。【００３５】
この製造方法では、犠牲層に利用する酸化亜鉛が配向することで、当該犠牲層に接する下部電極や当該下部電極を介して犠牲層に近接する圧電体層の結晶性が向上する。これにより、信頼性や圧電特性に優れる圧電アクチュエータを構成できる。
【発明の効果】
【００３６】
この発明によれば、従来よりも簡素な構成で且つ簡素な製造フローによって、圧電アクチュエータを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１の実施形態に係る圧電アクチュエータ１の平面図および側面断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る圧電アクチュエータ１の可動部の湾曲状態における側面断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る圧電アクチュエータ１の製造フローを示すフローチャートである。
【図４】図３に示す各フローでの構造を示す側面断面図である。
【図５】第２の実施形態に係る圧電アクチュエータ１Ａの側面断面図である。
【図６】第３の実施形態に係る圧電アクチュエータ１Ｂの側面断面図である。
【図７】第４の実施形態に係る圧電アクチュエータ１Ｃの側面断面図である。
【図８】第５の実施形態に係る圧電アクチュエータ１Ｄの側面断面図である。
【図９】第６の実施形態に係る圧電アクチュエータ１Ｅの側面断面図である。
【図１０】第７の実施形態に係る圧電アクチュエータ１Ｆの側面断面図である。
【図１１】第８の実施形態に係る圧電アクチュエータ１Ｇの側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータについて、図を参照して説明する。図１（Ａ）は本実施形態の圧電アクチュエータ１の平面図であり、図１（Ｂ）はその側面断面図である。図２は圧電アクチュエータ１の可動部の湾曲状態における側面断面図である。
【００３９】
（圧電アクチュエータの構造）
圧電アクチュエータ１は、図１（Ａ）に示すように所定面積で所定厚みからなる絶縁性のベース基板１１を備える。ベース基板１１は、例えば平面視で長さが１．５ｍｍ、幅が０．５ｍｍの大きさで形成されている。ベース基板１１の一方主面（図１（Ｂ）における上面）には、所定領域に凹部が形成されており、凹部内には固定電極１２が形成されている。
【００４０】
誘電体層１３は、ベース基板１１の固定電極１２の形成面（一方主面）に、少なくとも固定電極１２を覆うように所定領域に所定厚みで形成されている。
【００４１】
下部電極１４は、ベース基板１１の表面における所定領域に所定厚みで形成されている。下部電極１４は、その中間部に直立する屈曲部１４Ｖを有し、下部電極１４の一部１４ＥＤがベース基板１１と所定間隔離間した形状となっている。なお、図１（Ｂ）では屈曲部１４Ｖは直立した形状となっているが、後述する製造方法において所定角度（例えば４５度）に傾斜した形状に形成される。また、屈曲部１４Ｖが設けられる中間部は下部電極１４のどの位置でもよいが、所望の圧電駆動が得られるように、ベース基板１１と離間する部分１４ＥＤの寸法が規定される。
【００４２】
圧電体層１５は、下部電極１４を覆うように所定領域に所定厚みで形成されている。また、圧電体層１５は、下部電極１４の屈曲部１４Ｖに倣う屈曲部１５Ｖを有する。この際、圧電体層１５は、ベース基板１１から離間した下部電極１４の一部１４ＥＤも覆うように形成されている。この構造により、後述の上部電極１６が形成される際に、確実に下部電極１４と上部電極１６とを離間することができる。
【００４３】
上部電極１６は、支持部６１と可動部６２とが一体形成された構造からなる。なお、支持部６１の端部も圧電体層１５の歪みにより湾曲するが、説明の便宜上、上部電極１６を支持部６１と可動部６２とに分けて説明する。支持部６１は、圧電体層１５を覆うように所定領域に所定厚みで形成されている。また、上部電極１６は、下部電極１４の屈曲部１４Ｖ、圧電体層１５の屈曲部１５Ｖに倣う屈曲部１６Ｖを有する。支持部６１における下部電極１４と対向していない端部６１ＥＤには、可動部６２が連接して形成されている。可動部６２は、図１（Ａ）に示すように、圧電アクチュエータ１を平面視して、少なくとも固定電極１２と対向するような面積に所定厚みで形成されている。可動部６２には、所定の配列パターンで複数の貫通孔６０が形成されている。貫通孔６０を設けることで可動部６２の長さ方向に直交する断面積が、貫通孔６０のある箇所と貫通孔６０のない箇所で変化する。したがって、可動部６２が湾曲しやすくなり、後述の可変容量素子において可動部６２の連続的または多段的な変化に有効となる。なお、これら複数の貫通孔６０は必ずしも等間隔の配列パターンで形成されなくてもよく、例えば可動部６２の先端側と支持部６１に近い側とで配列パターンを変えるなど、可動部６２の湾曲具合に応じて任意の配列にしてもよい。貫通孔６０は主として断面積の変化を作ることが目的であるので、形状は平面視円形状でなくてもよく、楕円状や多角形状でもよい。貫通孔でなくても半貫通でもよい。所望の圧電駆動が可能であれば貫通孔６０は形成しなくてもよい。
【００４４】
このような構成とすることで、上部電極１６の平板状の可動部６２は、一方端が上部電極１６の支持部６１、圧電体層１５および下部電極１４の積層構造からなる支持柱により、ベース基板１１の表面から所定間隔で離間して支持される。
【００４５】
このような構造において、上部電極１６と下部電極１４との間に駆動電圧を印加すると、圧電体層１５が歪み、上部電極１６の支持部６１、圧電体層１５、および下部電極１４からなる支持柱の端付近から可動部６２にかけて湾曲する。この湾曲により、図２に示すように、上部電極１６の可動部６２は、ベース基板１１の誘電体層１３の表面に当接する。これにより、上部電極１６の可動部６２と固定電極１２とが、誘電体層１３を介して対向する。この結果、上部電極１６の可動部６２と固定電極１２との対向面積と、誘電体層１３の厚みおよび誘電率とによって規定されるコンデンサが形成される。なお、コンデンサの容量としては、０．０１ｐＦ〜１０ｐＦである。
【００４６】
一方、上部電極１６と下部電極１４への駆動電圧の印加を停止すると、圧電体層１５の駆動電圧印加による歪みは解消され、湾曲状態が元の湾曲していない状態に戻る。これにより、可動部６２と固定電極１２は、誘電体層１３および所定の空間ギャップを介して離間した状態となる。
【００４７】
ここで、図示は省略するが、上部電極１６と固定電極１２に対して、所望とする高周波信号を伝送する伝送線路を接続する。このような構造とすることで、駆動電圧が無印加状態であれば上部電極１６の可動部６２と固定電極１２が離間されており、高周波信号は導通しない。一方、駆動電圧印加状態であれば、所定容量のコンデンサが形成され、高周波的に導通状態となる。したがって、このような構造とすることで、圧電アクチュエータ１は、高周波スイッチとして機能させることができる。また、高周波信号を伝送する伝送線路間への接続の他に、伝送線路とグランド線間に接続してもスイッチとして機能させることができる。
【００４８】
この際、上述のように、駆動電圧印加用の上部電極１６が、高周波信号用の可動電極として兼用されているので、従来のアームと可動電極とを個別に形成する構造よりも、構造を簡素化できる。また、下部電極１４、圧電体層１５、上部電極１６の支持部６１がアームの支持柱として機能するので、従来のようにアームを個別設けた後に下部電極１４、圧電体層１５、および上部電極１６を設ける構造よりも、構造を簡素化できる。さらに、固定電極１２をベース基板１１に設けることで、固定電極１２を別途カバー等に設けるよりも、構造を簡素化できる。以上のように、本実施形態の構造とすることで、従来よりも簡素な構造で圧電アクチュエータを形成することができる。
【００４９】
なお、上述の説明では、駆動電圧印加時と駆動電圧無印加時とで、高周波的なスイッチのオンオフを制御する例を説明したが、駆動電圧レベルを連続的または多段的に調整することで、可変容量素子としても利用することができる。
【００５０】
すなわち、駆動電圧レベルを連続的または多段的に調整すると、圧電体層１５の歪みも連続的または多段的に調整できる。圧電体層１５の歪み度合いが変化すると、湾曲状態も変化し、上部電極１６の可動部６２が誘電体層１３に当接する面積も変化する。当接面積が変化すれば、上面電極１６の可動部６２、固定電極１２、および誘電体層１３からなるコンデンサの容量値も変化する。このような複数の当接状態を制御することで、連続的または多段的に変化する容量値を、一つの圧電アクチュエータ１で実現でき、当該圧電アクチュエータ１を可変容量素子として利用することができる。
【００５１】
また、上述の説明では、可動部６２の形状を概略的に示したが、次に示すような構造にするとよりよい。具体的には、可動部６２は、側面視した長さが固定電極１２の側面視した長さよりも長く、且つ、該可動部６２の先端側が、平面視して固定電極１２と重ならないようにする。これにより、可動部６２の先端側が、駆動電圧を印加していない状態で自重により垂れ下がったり、駆動電圧を印加したときに可動部６２の先端側が不所望にもスティッキングを起こして急峻に誘電体層１３と当接しても、可動部６２の先端側が、誘電体層１３を介して固定電極１２に対向することがない。これにより、上述のスイッチとしての機能や、可変容量素子としての機能を、より確実に実現することができる。
【００５２】
（圧電アクチュエータ１の製造方法）
次に、本実施形態の圧電アクチュエータ１の製造方法について、具体的に図を参照して説明する。図３は第１の実施形態に係る圧電アクチュエータ１の製造フローを示すフローチャートである。図４は、図３に示す各フローでの構造を示す側面断面図である。
【００５３】
まず、図４（Ａ）に示すように、厚みが１００〜５００μｍ（代表例３００μｍ）のガラスからなるベース基板１１に、ドライエッチング法で例えば５００ｎｍ〜５μｍ（代表例３μｍ）の凹部を形成して、スパッタ法によりＣｕからなる固定電極１２を形成する（Ｓ１０１）。なお、凹部の形成方法は、ウェットエッチング法やサンドブラスト法等でもよい。また、固定電極１２の形成方法は、蒸着法またはめっき法、もしくはこれらを組み合わせてもよい。ここで、ベース基板１１の材質としてはガラス以外に、ＬＴＣＣ、ＳＯＩ、アルミナセラミックス、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、水晶、Ｓｉ、サファイア、ＧａＡｓ、ＧａＮ、Ｇｅ、ＳｉＣ等の絶縁材料、圧電材料、半導体材料を用いてもよい。また、固定電極１２の材質としてはＣｕ以外に、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ等の融点、導電率が高い金属や、複数の金属を積層した積層電極や、Ｃｕ合金、Ａｇ−ＰｄなどのＡｇ合金を用いてもよい。
【００５４】
次に、ベース基板１１の固定電極１２側の表面を、ＣＭＰ等の研磨処理により平坦化する。その後、本図には記載していないが、Ｃｕ等の酸化、拡散を防止するためにＴｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＳｉＮ等のバリア膜をスパッタ法で１００ｎｍ程度の厚みでＣｕの電極の上に形成してもよい。
【００５５】
次に、図４（Ｂ）に示すように、スパッタ法を用いて、その成膜温度１００℃〜７００℃において、Ｔａ２Ｏ５（誘電率２５）からなる誘電体層１３を、ベース基板１１の固定電極１２側の表面に１００ｎｍ〜１μｍ（代表例２００ｎｍ）の厚みとなるように、ドライエッチング法により所定形状にパターニングして形成する（Ｓ１０２）。なお、誘電体層１３の形成方法は、蒸着法やめっき法でもよく、パターニングはウェット法でもよい。ここで、誘電体層１３の材質としてはＴａ２Ｏ５以外に、ＳｉＮｘ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ系（窒素ドーピングなど）を用いてもよい。誘電率が５〜１０００、好ましくは誘電率が２０〜１５０のものを用いることが好ましい。複数の誘電体材料を用いて誘電体層１３を多層構造にしてもよい。
【００５６】
次に、図４（Ｃ）に示すように、スパッタ法を用いて、その成膜温度１００℃〜７００℃において、ＺｎＯからなる犠牲層５０を、誘電体層１３の表面に１〜１０μｍ（代表例３μｍ）の厚みとなるように、ウェットエッチング法により所定形状にパターニングして形成する（Ｓ１０３）。なお、犠牲層５０の形成方法は、蒸着法やめっき法でもよく、パターニングはドライエッチング法でもよい。ここで、犠牲層５０の材質としてはＺｎＯ以外に、ポリシリコン等を用いてもよい。犠牲層５０にＺｎＯを用いると、当該ＺｎＯの配向により、後段の工程で形成される下部電極１４や圧電体層１５の結晶性が向上する。これにより、圧電アクチュエータ１の特性および信頼性を向上することができる。
【００５７】
次に、図４（Ｄ）に示すように、スパッタ法を用いて、その成膜温度１００℃〜７００℃において、Ｐｔからなる下部電極１４を、犠牲層５０およびベース基板１１の表面に１００〜５００ｎｍ（代表例２００ｎｍ）の厚みになるように、ドライエッチング法を用いて所定形状にパターニングして形成する（Ｓ１０４）。なお、下部電極１４の形成方法は、蒸着法やめっき法でもよく、パターニングはウェットエッチング法でもよい。この際、犠牲層５０の厚みにより下部電極１４に屈曲部１４Ｖが形成され、ベース基板１１から離間した下部電極１４の一部１４ＥＤが形成される。ここで、下部電極１４の材質としては融点が高く、高温でも安定な材質がよく、Ｐｔ以外に、Ｉｒ、Ｒｕ、またはその酸化物、またはＬａＮｉＯ３やＳｒＲｕＯ３，ＳｒＩｒＯ３，ＳｒＣｏＯ３，ＬａＴｉＯ２Ｎ１，（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯｘＮｙなどの導電性酸化窒化物、あるいはその積層構造でもよい。なお、酸化チタン系材質を下地層とするのが好ましい。また、下部電極１４の表層にＬａＮｉＯ３やＳｒＲｕＯ３、ＬａＴｉＯ２Ｎ１，（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯｘＮｙを用いればそれらの酸化物が配向するために、圧電体層１５の結晶性が向上する。これにより、圧電アクチュエータ１の特性および信頼性を向上することができる。
【００５８】
次に、図４（Ｅ）に示すように、スパッタ法を用いて、その成膜温度４００〜８５０℃（代表例７００℃）において、ＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）系からなる圧電体層１５（圧電定数ｄ３１＝１００ｐｍ／Ｖ）を、下部電極１４や犠牲層５０の表面に、５００ｎｍ〜４μｍ（代表例２μｍ）の厚みになるように、ドライエッチング法により所定形状にパターニングして形成する（Ｓ１０５）。なお、圧電体層１５の形成方法は、ＣＶＤ法やＰＬＤ法でもよく、パターニングはウェットエッチング法でもよい。この際、圧電体層１５がベース基板１１から離間した下部電極１４の一部１４ＥＤを覆うようにパターニングが行われる。これにより、後段の工程である上部電極１６の形成時に、上部電極１６が下部電極１４に接触することを防止できる。なお、圧電体層１５の材質としては、上述の非鉛圧電材料であるＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）系以外に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）系、ＺｎＯ（酸化亜鉛）系の材質を用いてもよい。これらは、既に圧電薄膜として、特性および製造方法が良く知られたものであるので、安定した品質の圧電体層１５を形成しやすい。特に、ＫＮＮ系を用いると、さらに環境性も向上することができる。また、圧電体層１５を形成した後（上部電極１６を形成する前）に、ＲＴＡ等の５００℃〜９００のアニール処理を施すことで、圧電体の結晶性や信頼性、圧電特性を向上させることができる。
【００５９】
次に、図４（Ｆ）に示すように、蒸着リフトオフ法を用いて、Ｔｉを密着層として、Ｃｕからなる上部電極１６を、圧電体層１５、および犠牲層５０の表面に、５００ｎｍ〜５μｍ（代表例２μｍ）の厚みになるように、ドライエッチング法により所定形状にパターニングして形成する（Ｓ１０６）。なお、上部電極１６の形成方法は、スパッタ法やめっき法でもよく、パターニングはウェットエッチング法でもよい。上部電極１６の材質としては、Ｃｕ以外に、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ等を用いてもよい。これら金属の合金系でもよい。また、酸化チタン系材質を下地層としたＡｕ積層電極等でもよい。上部電極１６のＣｕ等の酸化、拡散を防止するためにＴｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＳｉＮ等のバリア膜をスパッタ法で１００ｎｍ程度の厚みでＣｕ等の電極の上に形成してもよい。上部電極１６は、高温のプロセスとなる圧電体層１５の形成工程よりも後工程となるので、上部電極１６には、当該圧電体層の成膜プロセス温度に影響されることない導電性材質を用いることができる。これにより、下部電極１４や圧電体層１５よりも形成面積の大幅に広い上部電極１６に用いる材質の選択自由度が向上する。したがって、圧電アクチュエータ１を、求められる仕様に応じて、より安価に製造することが可能になる。また、上部電極１６は前段の工程で形成した、犠牲層５０や下部電極１４、圧電膜１５で生じた応力を上部電極１６の膜厚によって調整することが可能となる。
【００６０】
次に、図４（Ｇ）に示すように、犠牲層５０をウェットエッチング法により除去する（Ｓ１０７）。ここで、図４（Ｇ）に示すように、上部電極１６に貫通孔６０を設けることで、ウェットエッチングの速度を向上でき、犠牲層除去工程のタクトアップが可能になる。
以上のような工程を得ることで、圧電アクチュエータ１が完成する。
【００６１】
なお、上述の製造フローでは、犠牲層５０にＺｎＯを用いた場合を示したが、ポリシリコンを用いた場合には、減圧化学気相成長装置（ＬＰＣＶＤ）を用いて、６５０℃程度の温度で成膜する。その後、下部電極１４、圧電体層１５、および上部電極１６を形成した後に、ポリシリコンからなる犠牲層５０を、例えばＴＭＡＨによるウェットエッチングや、ＳＦ６もしくはＸｅＦ２によるドライエッチングにより除去する。
【００６２】
また、上述の製造フローにおいて、上部電極１６をめっき法により形成してもよい。この場合、圧電体層１５の形成後に、当該下地電極の全面にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィーを用いて、上部電極１６に対応する領域をパターン化し、該当領域のレジスト膜を除去する。次に、全面に密着層とめっきシード層を形成する。
【００６３】
次に、さらにレジスト膜を形成し、上部電極１６に対応する領域をパターン化し、該当領域のレジスト膜を除去する。次に、レジスト膜の開口部へ電解めっき法等により、ＣｕめっきやＡｕめっき層を１μｍ〜１０μｍ（代表例３μｍ）に形成する。この後、めっきシード層および当該めっきシード層を挟む二つのレジスト層を除去し、さらに犠牲層５０を除去する。
【００６４】
なお、上述の製造フローにおいて、下部電極１４と圧電体層１５との間に、下地薄膜（バッファ層）を形成する製造フローを設けてもよい。バッファ層は主として圧電体層の結晶性（配向性）を向上させたり、下部電極１４と圧電体層１５の熱膨張係数の差による圧縮応力、引っ張り応力を緩和させるために形成されるものである。バッファ層の材質としては、高誘電率の酸化物として、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＺｒＯ３、（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ３、ＧｄＺｒＯ３、または導電性の窒化酸化物であるＬａＮｉＯ３やＳｒＲｕＯ３、ＬａＴｉＯ２Ｎ１，（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯｘＮｙなどの１種、もしくはこれらの組み合わせを用いる。バッファ層の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法、またはめっき法などを用いる。バッファ層の厚みは１〜１００ｎｍ（代表例１０ｎｍ）である。
【００６５】
また、上述の製造フローにおいて、圧電体層１５を多層構造にする製造フローにしてもよい。多層構造の材質としては、上述のＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）系、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）系、またはＺｎＯ（酸化亜鉛）系の組み合わせ、もしくは同じ系の組み合わせなどを用いる。多層構造の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法、またはめっき法、もしくはこれらの組み合わせを用いる。
【００６６】
また、上述の製造フローにおいて、ベース基板と下部電極、下部電極と圧電体層、圧電体層と上部電極との間に、絶縁体材料その他の材料からなる中間層を形成する製造フローを設けてもよい。
【００６７】
次に、第２の実施形態に係る圧電アクチュエータについて、図を参照して説明する。図５は本実施形態に係る圧電アクチュエータ１Ａの側面断面図である。本実施形態の圧電アクチュエータ１Ａは、第１の実施形態の圧電アクチュエータ１に対して、上部電極１６Ａの形状が異なり、他の構成は同じである。したがって、上部電極１６Ａの構造のみを説明する。図５に示すように、圧電アクチュエータ１Ａの上部電極１６Ａは、支持部６１Ａと可動部６２Ａとが異なる材質により形成されている。そして、圧電アクチュエータ１Ａでは、可動部６２Ａの一方端が、支持部６１Ａに覆い重なるように形成されている。このような構成であっても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、例えば支持部６１Ａには圧電体層１５との密着性のよいもの（例えばＰｔでも可）を選択し、可動部６２Ａには導電性がよく安価なもの（Ｃｕなど）を選択するといった設計の自由度が得られる。
【００６８】
次に、第３の実施形態に係る圧電アクチュエータについて、図を参照して説明する。図６は本実施形態に係る圧電アクチュエータ１Ｂの側面断面図である。本実施形態の圧電アクチュエータ１Ｂは、第１の実施形態の圧電アクチュエータ１に対して、下部電極１４Ｂ、圧電体層１５Ｂ、および上部電極１６Ｂの形状が異なり、他の構成は同じである。したがって、下部電極１４Ｂ、圧電体層１５Ｂ、および上部電極１６Ｂの構造のみを説明する。
【００６９】
下部電極１４Ｂと圧電体層１５Ｂは、圧電アクチュエータ１Ｂを平面視して、下部電極１４Ｂの端部が圧電体層１５Ｂの端部よりも突出するように、形成されている。上部電極１６Ｂは圧電体層１５の表面にのみ形成された支持部６１Ｂのみが形成される。可動部６３Ｂは、下部電極１４Ｂに接続するように形成されている。なお、図６に示す構成では、可動部６３Ｂは、上部電極１６Ｂに接触しない厚みで形成されているが、上部電極１６Ｂの端部より圧電体層１５Ｂの端部を突出させるなどして、上部電極１６Ｂと可動部６３Ｂが接触しないようにしておけば、可動部６３Ｂの厚みの自由度が得られる。可動部６３Ｂは、下部電極１４Ｂの形成後であれば、どのタイミングで形成することも可能であるが、圧電体層１５の形成後にすることで、上述のような圧電体層１５の形成プロセス温度の影響を考慮する必要が無く、材質の選択自由度を向上できる。
【００７０】
次に、第４の実施形態に係る圧電アクチュエータについて、図を参照して説明する。図７は本実施形態に係る圧電アクチュエータ１Ｃの側面断面図である。本実施形態の圧電アクチュエータ１Ｃは、第１の実施形態の圧電アクチュエータ１に対して、固定電極１２Ｃの形成位置が異なり、他の構成は同じである。したがって、固定電極１２Ｃの構造のみを説明する。
【００７１】
圧電アクチュエータ１Ｃでは、平板状のベース基板１１の表面に、固定電極１２Ｃを形成している。そして、当該固定電極１２Ｃをも覆う形状で、誘電体層１３Ｃをパターニングして形成する。このような構成であっても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００７２】
次に、第５の実施形態に係る圧電アクチュエータについて、図を参照して説明する。図８は本実施形態に係る圧電アクチュエータ１Ｄの側面断面図である。本実施形態の圧電アクチュエータ１Ｄは、第１の実施形態の圧電アクチュエータ１とほぼ同じ構造である。なお、図８では、固定電極１２Ｄが可動部６２の先端部と所定間隔で対向する部分のみとなるように小面積で形成されているが、第１の実施形態の固定電極１２と同じ構造であってもよい。
【００７３】
圧電アクチュエータ１Ｄは、駆動電圧を制御することで、上面電極１６の可動部６２が、常に、駆動電圧に応じた空間ギャップＧｏｎをもって、固定電極１２Ｄおよび誘電体層１３から離間する構造からなる。このような構造であっても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００７４】
次に、第６の実施形態に係る圧電アクチュエータについて、図を参照して説明する。図９は本実施形態に係る圧電アクチュエータ１Ｅの側面断面図である。本実施形態の圧電アクチュエータ１Ｅは、第１の実施形態の圧電アクチュエータ１に対して、誘電体層１３Ｅの構造が異なり、他の構成は同じである。したがって、固定電極１２Ｃの構造のみを説明する。
【００７５】
圧電アクチュエータ１Ｅでは、誘電体層１３Ｂが下部電極１４のベース基板１１と離間された一部、圧電体層１５の端部および上部電極１６の可動部６２に当接するように、すなわち誘電体層１３Ｂがベース基板側ではなく可動部側に形成されている。これにより、誘電体層１３Ｂが可動部６２を補強することができる。そして、このような構成であっても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００７６】
次に、第７の実施形態に係る圧電アクチュエータについて、図を参照して説明する。図１０は本実施形態に係る圧電アクチュエータ１Ｆの側面断面図である。本実施形態の圧電アクチュエータ１Ｆは、第１の実施形態の圧電アクチュエータ１に対して、圧電体層１５Ｆの構造が異なる。
【００７７】
圧電アクチュエータ１Ｆの圧電体層１５Ｆは、図１０に示すように、側面視して固定電極１２よりも長い形状で、形成されている。そして、この圧電体層１５Ｆの表面における略全面に可動部６２にもなる上部電極１６が形成されている。このような構成とすることで、上述の誘電体層１３を圧電体層１５Ｆで兼用することができ、誘電体層を省略することができる。これにより、さらに簡素な構成の圧電アクチュエータを形成することができる。
【００７８】
次に、第８の実施形態に係る圧電アクチュエータについて、図を参照して説明する。図１１は本実施形態に係る圧電アクチュエータ１Ｇの側面断面図である。本実施形態の圧電アクチュエータ１Ｇは、第２の実施形態の圧電アクチュエータ１Ａに対して、上部電極１６Ｇの構造が異なる。
【００７９】
圧電アクチュエータ１Ｇの上部電極１６Ｇは、支持部６１Ｇと可動部６２Ｇとの間に絶縁体層６４が形成されている。このような構成とすることで、支持部６１Ｇと可動部６２Ｇとを電気的に分離することができる。絶縁体層６４の材質としては、ガラスやセラミック等の絶縁体材料だけでなく、上述の誘電体材料、圧電体材料、半導体材料等も用いることができる。例えば、支持部６１Ｇを駆動電圧印加用に利用し、可動部６２を高周波信号の伝送用に利用することができる。
【００８０】
なお、上述の実施形態では、駆動電圧印加用の上部電極を、高周波信号用の可動電極に兼用する例を示したが、駆動電圧印加用の下部電極を伸延し、高周波信号用の可動電極に兼用しても、構造の簡素化が可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１，１Ａ〜１Ｇ−圧電アクチュエータ、１１−ベース基板、１２，１２Ｃ，１２Ｄ−固定電極、１３，１３Ｃ−誘電体層、１４，１４Ｂ−下部電極、１５，１５Ｂ，１５Ｆ−圧電体層、１６，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｇ−上部電極、１４Ｖ，１５Ｖ，１６Ｖ−屈曲部、６０−貫通孔、６１，６１Ａ，６１Ｇ−支持部、６２，６２Ａ，６２Ｇ−可動部、６３Ｂ−可動用電極、６４−絶縁体層
【図１】
2011132532.tif 000003
【図２】
2011132532.tif 000004
【図３】
2011132532.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011132532.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2011132532.tif 000013
【国際調査報告】
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